保險(xiǎn)杠開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)概述

馮 光

（北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京 100301）

保險(xiǎn)杠開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)概述

馮 光

（北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京 100301）

汽車保險(xiǎn)杠是整車的重要組成部分，既要滿足造型需求，又必須具備良好的安全性。文章從汽車保險(xiǎn)杠的材料入手，對(duì)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了說(shuō)明，結(jié)合個(gè)人十多年從事保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，從涉及到的法規(guī)、保險(xiǎn)杠與周邊部件的匹配性、設(shè)計(jì)完成后的校核等多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)，為今后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)分享。

汽車；保險(xiǎn)杠；設(shè)計(jì)

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-19-03

汽車保險(xiǎn)杠裝置是保護(hù)車身前后端的重要組成部分，既要滿足安全方面的要求，嚴(yán)格遵守國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，又必須體現(xiàn)現(xiàn)代美學(xué)造型，給人良好的視覺享受，除此之外，還必須滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝加工等要求。

1 保險(xiǎn)杠材料選取

通常，前保險(xiǎn)杠本體、吸能裝置通常由非金屬材料制成，而前保險(xiǎn)杠的防撞梁則為金屬結(jié)構(gòu)，正確選擇保險(xiǎn)杠材料需首先滿足兩大基本要求：實(shí)現(xiàn)良好的功能件需求；具備注塑、噴涂和鍍鉻工藝的要求。例如保險(xiǎn)杠本體要保證彈性和韌性，還有顏色牢固度、耐光線和惡劣氣候天氣性能，如下為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)常用材料列表。

表1 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)材料使用列表

由于目前對(duì)車身輕量化和碰撞安全性能都提出了更高的要求，很多主機(jī)廠在防撞梁的使用上都采用了PP+GMT的材質(zhì)。在高速碰撞中，防撞梁所起的吸能作用一般只有20%，主要吸能的為車身、縱梁、地板等結(jié)構(gòu)。使用金屬或GMT材質(zhì)的防撞梁在高速碰撞的表現(xiàn)中，差別十分微小，而且也完全能夠保證車輛內(nèi)人員的安全保護(hù)作用。然而在低速碰撞中GMT表現(xiàn)要優(yōu)于鋼材質(zhì)防撞梁，吸能效率高，有效保護(hù)車身、縱梁、地板等部件，避免這些部件產(chǎn)生難以發(fā)現(xiàn)的暗傷，影響車輛安全行駛。由于每款汽車總體布置及結(jié)構(gòu)的差異性，部品材質(zhì)的選用應(yīng)以車輛自身性能屬性決定，不能照搬其他車輛配置情況。

2 涉及法規(guī)

保險(xiǎn)杠涉及許多法規(guī)，這些法規(guī)是設(shè)計(jì)時(shí)必須遵守的，主要有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和參考標(biāo)準(zhǔn)兩大類，保險(xiǎn)杠的開發(fā)過程中經(jīng)常涉及如下幾類。

2.1 汽車前后端保護(hù)裝置

當(dāng)車輛發(fā)生接觸和輕微碰撞時(shí)，汽車前后端的設(shè)計(jì)要求是車輛不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，很好的保護(hù)整車車身、發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，以及與安全有關(guān)的燈具等不會(huì)受到損壞。

校核方法：①低速碰撞總布置分析②CAE仿真分析③檢測(cè)中心碰撞器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 轎車外部凸出物

車保險(xiǎn)杠兩端應(yīng)向車身表面彎曲，假如保險(xiǎn)杠是嵌入式的、與車身結(jié)構(gòu)形成一體的、或保險(xiǎn)杠端部向內(nèi)彎曲三種形式的，在測(cè)試時(shí)其不能被直徑為100mm的球體所接觸，并且保險(xiǎn)杠端部和周邊車身表面之間的間隙不超過20mm，則認(rèn)為滿足要求。另外，身外表面不得有朝外的尖銳零件，同時(shí)不允許有刮到行人等的朝外零件，如果保險(xiǎn)杠上的元件所有朝外的剛性表面的圓角半徑應(yīng)不小于5mm。

校核方法：通過Catia或者UG在保險(xiǎn)杠不同位置做截面，然后用φ100的圓，沿著保險(xiǎn)杠截面線的外表面進(jìn)行滾動(dòng)校核，能夠被φ100接觸的部位，需要測(cè)量其圓角特征半徑是否滿足法規(guī)要求，下圖即為某車型的校核截面圖。

圖1 某車型前保杠Y=0處斷面圖

2.3 汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)

行人保護(hù)中影響保險(xiǎn)杠布置和造型的主要是小腿碰撞部分，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是膝關(guān)節(jié)彎曲角度＜15°、膝關(guān)節(jié)剪切位移＜6mm、脛骨頂端加速度＜150g。

校核方法：總布置分析、CAE低速方針碰撞、實(shí)驗(yàn)室沖擊試驗(yàn)。

圖2 行人保護(hù)校核示意圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1 改善空氣動(dòng)力特性的考慮

提高空氣動(dòng)力特性，保險(xiǎn)杠正面迎風(fēng)面積較大，對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響也大。前保險(xiǎn)杠的最佳化設(shè)計(jì)對(duì)減小正面迎風(fēng)阻力系數(shù)和升力系數(shù)效果明顯。側(cè)視圖方向上，矩形斷面保險(xiǎn)杠的阻力最大，凸形斷面的保險(xiǎn)杠阻力較小，如下圖3所示。

圖3 不同形狀保險(xiǎn)杠示意圖

俯視圖形狀上，應(yīng)消除棱角與修飾端頭形狀，以求同車身本體形狀相匹配，這樣可以減少氣流剝離和渦流的產(chǎn)生。另外，保險(xiǎn)杠的前端向前延伸可以減小阻力和升力，保險(xiǎn)杠與車身本體間隙不宜大。在前保險(xiǎn)杠下部設(shè)置擾流板一類的形狀，也對(duì)改善空氣動(dòng)力特性有作用。

圖4 某車型前保下端增加擾流板

3.2 結(jié)構(gòu)工藝性的考慮

3.3.1 翻邊的設(shè)計(jì)

避免收縮痕的設(shè)計(jì)，尾端部料厚一般不能超過產(chǎn)品料厚的50%為宜。對(duì)于尾端部的料厚要作減料厚處理以避免收縮痕的產(chǎn)生。塑料件的加強(qiáng)筋、翻邊、doghouse等也應(yīng)該如此設(shè)計(jì)。如下圖所示的，翻邊處設(shè)計(jì)減料槽，減小保險(xiǎn)杠局部料厚，避免保險(xiǎn)杠本體表面產(chǎn)生縮痕。

圖5 某車型保險(xiǎn)杠翻邊處理

3.3.2 拔模角的選擇

加強(qiáng)筋的拔模角一般在0.25～2°之間，塑件表面有皮紋或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)加大拔模角，可達(dá)到2°，這是因?yàn)樾螤顝?fù)雜的制品脫模阻力大如拔模角不夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉花現(xiàn)象。

對(duì)于網(wǎng)格造型結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)眼深度超過5mm，而且網(wǎng)眼數(shù)量多，拔模角一般不得小于3°，如果選擇較小的拔模角會(huì)造成因?yàn)榫W(wǎng)眼部分凹模包裹力過大，導(dǎo)致制品頂花，最嚴(yán)重的致使頂桿斷裂。如下圖所示，網(wǎng)眼深度8mm，網(wǎng)眼數(shù)量多，網(wǎng)眼處拔模角3°，網(wǎng)眼分型面在格柵背面，防止形成的披鋒影響外觀。

圖6 網(wǎng)眼狀保險(xiǎn)杠

3.3.3 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

對(duì)零件剛度強(qiáng)度薄弱處，零件易變形的地方要設(shè)置加強(qiáng)筋進(jìn)行增強(qiáng)，某些時(shí)候加強(qiáng)筋還能起到限位的作用。

一般筋的壁厚為零件厚的0.4倍，最大不超過0.6倍，筋之間的間距大于4t，筋的高度小于3t，BOSS柱的筋取至少低于柱子端面1.0mm，筋至少需要低于零件表面，或分型面1.0mm。多條筋相交，要注意相交帶來(lái)的壁厚不均勻性問題。

圖7 加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

3.3.4 圓角的設(shè)計(jì)

在注塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為避免轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中，應(yīng)采用圓弧過渡，這對(duì)于模具制造、使用壽命是很有利的。一般塑件各連接處應(yīng)有R0.5～R1mm的圓角。在拐角處，圓角可采用如下圖所示的圓角半徑，以減少內(nèi)應(yīng)力，并能保證壁厚一致。

圖8 圓角的設(shè)計(jì)

4 設(shè)計(jì)完成后的檢查與校核

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，下一步則需要進(jìn)行DMU校核，校核總成內(nèi)部及總成與周邊件的間隙與面差，如下即為間隙面差的經(jīng)驗(yàn)值。

4.1 前大燈與前保險(xiǎn)杠間隙

一般是2～4之間，具體根據(jù)造型需要和外觀協(xié)調(diào)來(lái)定。

圖9 某車型大燈與前保間隙

4.2 前保翼字板間隙

間隙通常是0～0.5，面差為-0.7，保險(xiǎn)杠同翼子板的安裝方式是重要的影響因素。

圖10 某車型翼子板與前保間隙

4.3 保險(xiǎn)杠與機(jī)蓋的間隙（運(yùn)動(dòng)件配合，間隙要求大）

間隙3～6，面差2.5，具體根據(jù)造型需要和外觀協(xié)調(diào)來(lái)確定。4.4 保險(xiǎn)杠本體與緩沖塊間隙

圖11 某車型機(jī)蓋裝飾條與前保間隙

緩沖塊與本體不是粘接的形式時(shí)應(yīng)留有2～5mm間隙，防止裝配干涉。

保險(xiǎn)杠按照規(guī)定設(shè)計(jì)完成后，后續(xù)進(jìn)行工藝性分析，檢查成型工藝性（需要供應(yīng)商進(jìn)行協(xié)助），檢查分模線(設(shè)計(jì)時(shí)，分模線盡量放在非外觀表面上)，檢查撥摸角度，檢查拔模角是否足夠，有無(wú)負(fù)角存在，檢查斜頂及抽芯行程是否足夠，并與模具供應(yīng)商進(jìn)行協(xié)作，最后還需要模具供應(yīng)商檢查模具的強(qiáng)度和可靠性。緊接著還需要檢查裝配工藝問題，按照商品性要求，從耐候性試驗(yàn)、剝離強(qiáng)度試驗(yàn)等方面一一進(jìn)行驗(yàn)證。

保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷校核驗(yàn)證的過程，目前，國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠也在保險(xiǎn)杠的開發(fā)上日益成熟，后續(xù)將集合多年從事保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)常發(fā)生的設(shè)計(jì)失效案例，希望本土化開發(fā)過程中可以積累更多的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)車型的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

[1] 李余兵.汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)研究[J].汽車工業(yè)研究,2013, (12)∶55-61.

[2] 劉自俠.淺談汽車保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2005,(3)∶16-18.

[3] 史兆杰.淺談汽車前保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備.2015. (5)∶15-19.

The summary of experience for the bumper system designing and development

Feng Guang
（Beijing Hyundai Motor Company, Beijing 100301）

The automobile bumper is an important part of the vehicles, it must meet the requirements of design, as long as has the good safety. The article starts with the composition of the bumper, then have an introduction of the product and design requirements. Combined with the author who has took part in the bumper designing experience, considering the risk during the project, this paper has a detailed summary below, pedestrian protection、the matching of bumper and the parts around it、the choices and designing of the setpoints, at the end, th eclassic cases are considering, and have an intensive study.

Automobile; bumper; design

U462.1

A

1671-7988 (2017)13-19-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.006

馮光，本科，就職于北京現(xiàn)代汽車有限公司，主要從事汽車內(nèi)外飾方面設(shè)計(jì)。